śELBETOWE ZBIORNIKI OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW PO 20

TADEUSZ GODYCKI-ĆWIRKO, [email protected]
PAWEŁ PIOTRKOWSKI, [email protected]
Wydział InŜynierii Lądowej i Środowiska
Politechnika Gdańska
śELBETOWE ZBIORNIKI OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW
PO 20 LATACH EKSPLOATACJI
THE RC TANKS FOR SEWAGE TREATMENT PLANTS AFTER TWENTY YEARS
OF EXPLOITATION
Streszczenie W referacie przedstawiono stan techniczny dwóch cylindrycznych Ŝelbetowych zbiorników
oczyszczalni ścieków po blisko dwudziestoletniej eksploatacji. Dalsza eksploatacja zbiorników
w przypadku planowanego usprawnienia technologii eksploatacji wymaga radykalnych napraw. Autorzy
przedstawili równieŜ koncepcję napraw zbiorników.
Abstract The paper presents the technical state of two cylindrical tanks of reinforced concrete sewage
treatment plant after nearly two decades of exploitation. Further use of tanks for a planned exploitation
of technology improvements require radical repairs. The authors also presented the concept of repairing
tanks.
1. Dane ogólne
Analizowane zbiorniki Ŝelbetowe stanowią element linii procesu technologicznego
oczyszczalni ścieków w których dokonuje się proces napowietrzania i oczyszczania biologicznego. Rozpoczęcie inwestycji nastąpiło w roku 1984 r., od wymiany gruntów pod dwa
zbiorniki. Betonowanie płaszczy zbiornika nr 1 (rys. 1) wykonywano latem 1989 r. a zbiornika nr 2 rok później. Analizowane zbiorniki wykorzystywano w procesie technologicznym
jako tzw. Biooxybloki. W roku 1998 nastąpiła zmiana technologii oczyszczania ścieków
a w roku 2010 wykonywane były prace projektowe związane z kolejną zmianą technologiczną mającą na celu zwiększenie efektywności oczyszczalni z uwagi na coraz większe
zrzuty ścieków z sąsiadujących miejscowości co ma miejsce zwłaszcza w sezonie letnim.
Zbiorniki wykonano jako cylindryczne o konstrukcji Ŝelbetowej monolitycznej. Ściany płaszcza zbiornika połączone są monolitycznie z płytą denną. Geometria obu zbiorników
jest jednakowa (rys. 2). Średnica wewnętrzna wynosi 24 m a wysokość uŜytkowa wewnętrzna 7,2 m co daje pojemność jednego zbiornika równą 3257 m3. PowyŜej tego poziomu
na części obwodu zbiornika pobocznice są nadbetonowane o wysokości około 0,7 m.
Grubość ścian pobocznicy jest stała i wynosi 0,38 m do 0,40 m. Płyta denna kołowa o średnicy 25,2 m ma grubość 0,5 m. Płyta posadowiona jest na betonowej poduszce grubości
0,15 m izolowanej papa na lepiku z warstwą dociskową betonową grubości 0,05 m.
Całą wewnętrzną powierzchnię zbiornika pokryto bitumiczną warstwą izolacyjną.
952
Godycki-Ćwirko T. i inni: śelbetowe zbiorniki oczyszczalni ścieków po 20 latach eksploatacji
Rys. 1. PołoŜenie analizowanych zbiorników względem stron świata. Miejsca pomiarowe, w których
przeprowadzano badania sklerometryczne (1 do 12) oraz miejsca wykonanych odwiertów (A do D)
Według projektu konstrukcyjnego do wykonania całej konstrukcji przyjęto beton kl. B20
z dodatkiem „Hydrobetu” w ilości 1,5% w stosunku do wagi cementu.
Rys. 2. Geometria analizowanego zbiornika. Rzut oraz przekrój poprzeczny
Ściany zbiornika posiadają zbrojenie ze stali kl. A-II znaku 18G2 w następującej ilości:
obwodowe obustronnie pręty φ 16 m co 12,5 cm, ρl = 0,85%, pionowe pręty wzdłuŜ pobocznicy obustronnie φ 16 m co 20 cm.
2. Stan techniczny
Stan techniczny zbiorników budził zastrzeŜenia bezpośrednio po wykonaniu. Dowodem
tego było zlecenie orzeczenia technicznego jeszcze przed uruchomieniem oczyszczalni.
Autorzy opracowania wykonanego w 1991 r. stwierdzili, Ŝe beton obu zbiorników nie
osiągnął projektowanej klasy B20. Jako przyczynę tego stanu podano następujące czynniki:
niestaranne wykonawstwo, zła pielęgnacja betonu w czasie jego dojrzewania, niekorzystny
wpływ duŜej odległości transportu mieszanki betonowej w okresach wysokich temperatur
powietrza o małej wilgotności. DuŜa niejednorodność betonu, jak pisali autorzy ówczesnego
Konstrukcje Ŝelbetowe
953
orzeczenia była widoczna gołym okiem. ZauwaŜono liczne miejsca źle zagęszczonego
betonu, zlokalizowane w róŜnych częściach płaszczy zewnętrznych. Miejsca te wyróŜniały
się porowatością powierzchni, rakami oraz spękaniami. Zaproponowane wzmocnienia
słabych obszarów płaszcza zewnętrznego zbiorników nie wykonano. Zaszpachlowano
jedynie ubytki oraz pomalowano powierzchnie płaszczy zbiorników. Natomiast od wewnątrz
wykonano powłokę, która miała przeciwdziałać przeciekom.
W lipcu 2010 r. autorzy referatu dokonali oględzin zewnętrznych stron płaszczy zbiorników. Dostęp do wewnątrz nie był moŜliwy z uwagi na bieŜącą eksploatację zbiorników,
które przez cały czas były napełnione ściekami. Zbiorniki od zewnętrznej strony pokryte
są grubą warstwą farby koloru białego, która na powierzchni ścian zbiornika nr 1 jest silnie
złuszczona. Natomiast od wewnątrz, przed rozpoczęciem eksploatacji w roku 1992 wykonano izolację bitumiczną. Izolacja ta okazała się nieskuteczna poniewaŜ juŜ podczas próby
szczelności pojawiły się przesiąki i przecieki, które starano likwidować poprzez wykonanie
wewnątrz powłoki uszczelniającej. Na dzień dzisiejszy po prawie 20 latach eksploatacji
zbiorników, stan zbiorników w zakresie szczelności i trwałości pozostawia wiele do Ŝyczenia. Dotyczy to przede wszystkim zbiornika nr 1.
W trakcie oględzin ujawniono szereg wad, które pogrupowano na trzy rodzaje.
Spękania i odspojenia otuliny
Spękania i odspojenia otuliny betonowej od prętów zbrojenia widoczne są jedynie w zbiorniku nr 1. Wady te związane są z brakiem odpowiedniego otulenia prętów zbrojeniowych
podczas betonowania płaszcza. Z usytuowania prętów względem powierzchni zewnętrznej
płaszcza zbiornika (rys. 13) wynika, Ŝe pręty te stykały się z deskowaniem podczas
układania mieszanki betonowej. Dodatkowo ten niekorzystny stan potęgowały drgania
związane z zagęszczaniem mieszanki betonowej buławą wibracyjną.
Rys. 3. Widoczne spękania oraz odspojenia a raczej brak otuliny betonowej prętów zbrojenia
Obszary spękań i braku otuliny występują w zbiorniku nr 1 od strony południowo-wschodniej w paśmie na wysokości od 3 do 4 m nad poziomem terenu oraz w kilku miejscach na ¼
długości obwodu, ograniczonej kierunkami zachodnim i północnym.
Przesiąki i przecieki
W zbiorniku nr 1 stwierdzono liczne ślady zachodzących w trakcie eksploatacji przesiąków
punktowych i przecieków pionowych, które mają postać wykwitów i wtrąceń związków
954
Godycki-Ćwirko T. i inni: śelbetowe zbiorniki oczyszczalni ścieków po 20 latach eksploatacji
chemicznych, które po wykrystalizowaniu przeciwdziałały nieszczelności. PowyŜsze objawy
(rys. 4). mają charakter długotrwały bowiem były one sygnalizowane wcześniej. Miejsca
widocznych przecieków tworzą pionowe ślady widoczne od poziomu terenu do wysokości
sięgającej 2,2 m. Obszary, w których jest tych miejsc najwięcej (w rozstawie co 0,5÷1 m)
znajdują się od strony południowej i południowo-wschodniej oraz północno-wschodniej
zbiornika nr 1. Na powierzchni płaszcza tego zbiornika zarejestrowano 35 miejsc po pionowych przeciekach w tym 13 o wysokości około 2 m ponad poziomem terenu.
Spośród opisanych śladów przecieków kilka z nich, miejscowo była wilgotna co moŜe
świadczyć o bieŜącym aktywnym przesiąkaniu. W zbiorniku nr 2 jedynie w paśmie przygruntowym od strony zachodniej zauwaŜono wilgotne obszary świadczące o przesiąkaniu
cieczy przez ścianę płaszcza zbiornika Obszary aktywnego zawilgocenia występują takŜe
od strony zachodniej zbiornika nr 2. W tym przypadku ograniczają się one do wysokości
około 1 m nad poziom terenu.
a)
b)
Rys. 4. Widoczne od zewnątrz płaszcza zbiornika nr 1 miejsca w których nastąpiły przecieki:
a) od strony południowo-wschodniej, b) od strony północno-wschodniej
ZróŜnicowana jednorodność powierzchni płaszczy
Widoczne róŜnice pomiędzy poszczególnymi warstwami betonu płaszcza analizowanych
zbiorników, zauwaŜono w zbiorniku nr 1. W przypadku drugiego zbiornika takową niejednorodność stwierdzono na podstawie badań sklerometrycznych. Niedostateczna jednorodność
w znacznej mierze była wynikiem niestarannego wykonawstwa oraz dostaw mieszanki
betonowej pochodzącej z róŜnych źródeł i braku pielęgnacji świeŜego betonu podczas wysokich letnich temperatur.
Z informacji ustnych uzyskanych od personelu technicznego zatrudnionego przez uŜytkownika obiektu wynika, Ŝe zbiorniki nr 1 i 2 nie były betonowane w procesie ciągłym. Betonowanie odbywało się w kilku niezaplanowanych etapach przy czasowo zmiennych przer-
Konstrukcje Ŝelbetowe
955
wach między poszczególnymi etapami. PowyŜsze zaowocowało krzywoliniowym przebiegiem styków przerw betonowanych obszarów płaszczy zbiornika, co jest widoczne na rys. 5.
przerw a w
betonow aniu
przerw a w
betonow aniu
Rys. 5. Widoczne niejednorodne obszary betonu – strona południowo-zachodniej zbiornika nr 1
2. Badania sklerometryczne i wytrzymałościowe – stan istniejący
Badania terenowe i laboratoryjne przeprowadzono dla określenia jednorodności oraz
wytrzymałości betonu. W tym celu dnia 16 lipca 2010 r. wykonano badania sklerometryczne
oraz pobrano odwierty z płaszczy obu zbiorników. Badania zostały wykonane przez Katedrę
Konstrukcji Betonowych i Technologii Betonu Politechniki Gdańskiej. W celu przeprowadzenia badań wydzielono trzy pasma na kaŜdym ze zbiorników (rys. 6). Pierwszy pasmo było zlokalizowane na wysokości 0÷1,25 m licząc od poziomu terenu, drugie od 1,25÷2,75 m
i trzecie od 2,75 do 4,25 m. Średnie poziomy poszczególnych pasm wynosiły: 0,5 m, 2 m,
3,5 m. Ekstremalne siły rozciągające pochodzące od parcia cieczy występują w II paśmie.
W kaŜdym paśmie wyznaczono dwanaście miejsc w których dokonywano odczyty z badań sklerometrycznych (co najmniej 5 miarodajnych odczytów z kaŜdego miejsca). Miejsca
te pokazano na rys. 2. Ponadto w kaŜdym zbiorniku wyznaczono po dwa miejsca, z których
pobierano próbki walcowe 10/10 cm z dokonanych odwiertów. W wyznaczonych miejscach
pobierano po trzy odwierty, po jednym dla kaŜdego pasma. Razem z odwiertów pobrano do
badań laboratoryjnych 12 próbek walcowych 10/10 cm.
Na podstawie przeprowadzonych badań terenowych i laboratoryjnych, określono dla zbiornika nr 1 klasę betonu B17,5 a dla zbiornika nr 2 klasę B12,5. Jednorodność dla zbiornika nr
1 wahała się od średniej w I paśmie, dostatecznej w paśmie drugim do niedostatecznej w III
paśmie. Natomiast dla zbiornika nr 2 jednorodność betonu w kaŜdym paśmie była niedostateczna. Do dalszej analizy przyjęto dla obu zbiorników parametry wytrzymałościowe
odpowiadające wytrzymałości gwarantowanej fcG,cube = 12,5 MPa co według normy PN:84
[1] odpowiadało klasie B12,5.
956
a)
Godycki-Ćwirko T. i inni: śelbetowe zbiorniki oczyszczalni ścieków po 20 latach eksploatacji
b)
miejsca po
pobranych
odw iertach
Rys. 6. Wydzielone pasma do przeprowadzenia badań betonu
3. Analiza statyczno-wytrzymałościowa
Model analityczny zbiornika stanowi cylindryczny płaszcz sztywno połączony z płytą
denną na spręŜystym podłoŜu. Do obliczeń wykorzystano komercyjny system obliczeniowy
bazujący na MES, przyjmując wcześniej wyznaczone parametry materiałowe oraz wyliczony
na podstawie badań gruntowych średni współczynnik spręŜystości podłoŜa.
Na podstawie analizy statyczno-wytrzymałościowej wynika, Ŝe dla kombinacji obciąŜeń
w porze letniej, gdzie decydującym przypadkiem obciąŜeniowym jest parcie cieczy
maksymalna siła rozciągająca (obwodowa) wynosi Nx = 502,01 kN (rys. 7). Siła ta występuje
na wysokości około 2,9 m licząc od dna. W fazie spręŜystej daje to napręŜenia rozciągające
σx = 1,32 MPa. Momenty zginające obwodowe (Mx) (rys. 8) powodują na zewnętrznej stronie
zwiększenie napręŜeń o wartość 0,16 MPa do 1,48 MPa i zmniejszenie po stronie wewnętrznej do 1,19 MPa. Uwzględniając istniejące zbrojenie o stopniu ρl = 0,85% i przyjmując
stosunek modułów spręŜystości stali do betonu αet = 23, wielkość napręŜeń rozciągających
zmniejsza się do wartości σx = 1,21 MPa na stronie zewnętrznej do 1,11 MPa w środku i minimalnie po stronie wewnętrznej do wartości 1,01 MPa. Jak z tego wynika na całej grubości
przekroju napręŜenia rozciągające przekraczają wytrzymałość na rozciąganie fctk = 1,0 MPa.
W przypadku dodatkowego obciąŜenia termicznego w postaci gradientu temperatury
na płaszczu zbiornika równego -15 deg, co ma miejsce w porze zimowej, mamy do czynienia
ze znacznie większymi momentami zginającymi (rys. 8b) oraz duŜą koncentracją maksymalnych sił rozciągających przy koronie ścian zbiornika (rys. 7b). Uwzględniając zbrojenie analogicznie jak wcześniej otrzymamy następujące wielkości napręŜeń rozciągających.
Na wysokości około 2,9 m licząc od dna zbiornika po stronie zewnętrznej σx = 2,51 MPa,
w środku 0,87 MPa i po stronie wewnętrznej napręŜenia ściskające -0,76MPa. U góry płaszcza po stronie zewnętrznej σx = 2,41 MPa w środku płaszcza 1,18 MPa i po stronie wewnętrznej praktycznie równe zero.
Konstrukcje Ŝelbetowe
a)
957
b)
Rys. 7. Siły obwodowe (Nx [kN/m]) w płaszczu zbiornika: a) pora letnia (tylko parcie cieczy), b) pora
zimowa (parcie cieczy i obciąŜenie termiczne płaszcza gradientem temp. równym – 15 deg)
a)
b)
Rys. 8. Momenty obwodowe (Mx [kNm/m]) w płaszczu zbiornika: a) pora letnia (tylko parcie cieczy),
b) pora zimowa (parcie cieczy i obciąŜenie termiczne płaszcza gradientem temp. równym -15deg)
Uwzględniając wyniki analizy statyczno-wytrzymałościowej w której uwzględnione zostały obciąŜenia ekstremalne wynikające z parcia cieczy przy maksymalnym napełnieniu jak
teŜ dodatkowo obciąŜenia termicznego okresu zimowego przyjęte w postaci gradientu
temperatury na płaszczu zbiornika równego 15 deg, moŜna jednoznacznie stwierdzić,
Ŝe z uwagi na istniejące zbrojenie stan graniczny nośności (SGN) jest zabezpieczony. Ma to
miejsce pod warunkiem, Ŝe zbrojenie obwodowe i pionowe od strony wewnętrznej zbiornika
nie jest w zakresie korozji w stanie gorszym niŜ to zostało ustalone podczas wizji lokalnej
od strony zewnętrznej.
Zakładając oprócz spełnienia warunków wytrzymałościowych z uwagi na SGN spełnienia równieŜ warunku wynikającego z ograniczenia rozwarcia rys z uwagi na trwałość
(wk,lim = 0,3 mm), ilość potrzebnego zbrojenia zarówno obwodowego jak i pionowego
po stronie zewnętrznej jest niewystarczająca. NaleŜy podkreślić, Ŝe przyjęta graniczna
wartość rozwarcia wk,lim = 0,3 mm spełnia jedynie warunek związany z trwałością i nie gwarantuje zachowania szczelności bez dodatkowego zabezpieczenia.
4. Ocena istniejącego stanu technicznego zbiorników
Obecnie po prawie 20 latach eksploatacji na podstawie przeprowadzonych badań
w zakresie nośności granicznej SGN, która jest limitowana głównie ilością i jakością stali
zbrojeniowej, moŜna stwierdzić, Ŝe w obecnym stanie stabilność konstrukcji obu zbiorników
nr 1 i nr 2 nie jest zagroŜona. W zakresie trwałości, gdzie oprócz stali do gry wchodzi
równieŜ beton, którego niska wytrzymałość decyduje nie tylko o nośności lecz takŜe wpływa
na ochronę stali przed korozją, sytuacja jest mniej optymistyczna. Z uwagi na niską
wytrzymałość betonu, duŜą niejednorodność i wątpliwą wodoszczelność istniały i ciągle
958
Godycki-Ćwirko T. i inni: śelbetowe zbiorniki oczyszczalni ścieków po 20 latach eksploatacji
jeszcze istnieją przecieki. W jakim stopniu porowatość betonu i związane z tym przecieki
wpłyną na trwałość obiektu trudno w chwili obecnej ustalić. Do tego niezbędne jest poznanie
warstw wewnętrznych zbiornika w tym zarówno betonu jak i stali co będzie moŜliwe
po przynajmniej czasowym wyłączeniu poszczególnych zbiorników z eksploatacji w celu
udostępnienia do badań wnętrza zbiornika.
Podsumowując moŜna stwierdzić, Ŝe Ŝelbetowe płaszcze istniejących zbiorników spełniają wymagania normy PN:02 [2] dotyczące nośności (SGN), natomiast nie spełniają wymagań
związanych ze stanami granicznymi uŜytkowalności (SGU) zarówno jeŜeli chodzi o szczelność jak teŜ trwałość.
5. Wnioski i zalecenia końcowe
Dalsza eksploatacja zbiorników zwłaszcza w przypadku planowanego usprawnienia
technologii eksploatacji wymaga radykalnych napraw dotyczących przede wszystkim płaszczy obu zbiorników. Z dokładnych badań wytrzymałości betonu jak teŜ analizy statyczno-wytrzymałościowej uwzględniającej wpływ gradientu temperatury w okresie zimy
wynika potrzeba uszczelnienia i naprawy betonu oraz uzupełnienia zbrojenia płaszczy
zbiorników. Jednym z bardziej racjonalnych sposobów wzmocnienia i naprawy byłoby
wykonanie zewnętrznej zbrojonej warstwy betonu natryskowego tzw. torkretu. Warstwa
narzutu o grubości co najmniej 5 cm wykonana z betonu B25 powinna być naniesiona na
uprzednio odpowiednio przygotowaną powierzchnię zewnętrzną z której powinny być
usunięte całkowicie warstwy farby i tynku. Oczyszczona powierzchnia przed torkretowaniem winna być powleczona odpowiednią warstwą szczepną. Siatka zbrojenia z prętów
φ 8 mm o oczkach 10×10 cm winna być przed betonowaniem zamocowana odpowiednim
kołkowaniem (12 szt./m2) do ściany.
Krawędź górną płaszcza zbiornika w której z tytułu temperatur ujemnych występuje siła
normalna-rozciągająca równa ok. 530 kN, naleŜy wzmocnić nadbetonem o szerokości ściany
i wysokości co najmniej 10 cm, zbrojonym podłuŜnie 10 prętami φ 16 mm ze stali klasy
A-IIIN. Nadbeton ten naleŜy połączyć z istniejącą koroną ściany za pomocą stalowych
sworzni odpowiednio zakotwionych w istniejącej ścianie.
Nakładanie betonu natryskowego po stronie zewnętrznej naleŜy wykonać po napełnieniu
zbiornika przy dodatniej temperaturze powietrza.
Przed wykonaniem naprawy zewnętrznej naleŜy ocenić stan powierzchni wewnętrznej,
następnie zaleŜnie od tej tego dokonać jej naprawy i uszczelnienia. Wybór sposobu wykonania izolacji szczelnej uzaleŜniony jest od stanu technicznego wewnętrznej powierzchni
zbiornika. W przypadku znacznych ubytków betonu i korozji stali zbrojeniowej autorzy
zalecają wykonać naprawę i jednocześnie izolację szczelną przy zastosowaniu wodoszczelnej warstwy betonu natryskowego o grubości 4÷5 cm i zbrojeniu siatką φ 6 mm o oczkach
10 cm. W innym przypadku moŜna wykonać systemową izolację wodoszczelną.
Literatura
1. PN-B/84-03264. Konstrukcje betonowe, Ŝelbetowe i spręŜone. Obliczenia statyczne i projektowanie.
2. PN-B-03264:2002. Konstrukcje betonowe, Ŝelbetowe i spręŜone. Obliczenia statyczne i projektowanie.
3. Godycki-Ćwirko T.: Morfologia rys w konstrukcjach z betonu, Wydawnictwo Pol. Białostockiej,
1982.